Photosynthese: Licht- und CO2 – Abhängigkeit

Wie wir schon im vorigen Kapitel bei der Blasenzählung
gesehen haben, ist die Photosyntheserate von der Lichtintensität
abhängig. Untersucht man diesen Sachverhalt bei atmosphärischer
CO2-Konzentration quantitativ, ergibt sich nachfolgendes Bild:

Licht2 - Photosynthese: Licht- und CO2 - Abhängigkeit

Ab einer bestimmten Beleuchtungsstärke läßt
sich die Photosyntheserate nicht mehr steigern. Unterschiede ergeben sich
bei Licht und Schattenpflanzen. Letztere erreichen früher ihr Maximum.

Variiert man
zusätzlich die
CO2-Konzentration
ergibt sich folgendes:

Co2licht - Photosynthese: Licht- und CO2 - Abhängigkeit

Die Photosyntheserate erreicht bei ca. 12 000
Lux
(Einheit der Beleuchtungsstärke)
ihr Maximum und kann durch höhere Lichtstärken nicht gesteigert
werden. (20 000 Lux werden im Hochsommer, am Mittag bei wolkenlosem Himmel
erreicht.)

Die CO2-Konzentration
der Luft ist unteroptimal
. Die Photosyntheserate
kann bis 0, 1% CO2 beträchtlich gesteigert werden (ca.
Faktor 2,5). Dies wird in Gewächshäusern durch CO2-Begasung
ausgenützt, um den Ertrag zu steigern
.

1.2.3.2 Temperaturabhängigkeit

Die typische Temperaturabhängigkeit
der Photosynthese
(Lichtpflanzen) beschreibt in etwa eine Gaußsche
Glockenkurve
mit einem optimalen Bereich zwischen 20 und 40 °C.
Sie ähnelt stark der Temperaturabhängigkeit der Enzyme.(siehe
Biokurs Klasse 11
). Auch der Temperaturbereich stimmt in etwa.

Temp1 - Photosynthese: Licht- und CO2 - Abhängigkeit

Die Vermutung liegt deshalb nahe, daß bei der Photosynthese
enzymatische Prozesse eine Rolle spielen.

1.3. Eigenschaften der Blattfarbstoffe

1.3.1 Licht und die Absorptionseigenschaften
der Blattfarbstoffe

Licht als elektromagnetische Welle besitzt wie alle
Wellen folgende Eigenschaften:

Wellenlänge
l
Frequenz n
Geschwindigkeit c

Sichtbares Licht ist ein Spektrum der Wellenlängen
von ca. 390 – 770 nm.

Dabei sind Wellen mit 450 nm blau,
500 nm
grün
und 700 nm
rot.

wavel - Photosynthese: Licht- und CO2 - Abhängigkeit

Das gesamte Spektrum erscheint dem Auge gemeinsam angeboten
als weißes Licht.

Der Energiegehalt ist umgekehrt proportional der Wellenlänge
d.h. je kürzer die Wellenlänge, desto höher der Energiegehalt.
UV-Licht ist deshalb energiereicher als Infarotlicht.

_nrg - Photosynthese: Licht- und CO2 - Abhängigkeit

E =
Energie

h ist das
Plancksche Wirkungsquantum = (6.626196 * 10-34 JouleSek.)

Jede Wellenlänge besteht aus “Energiepaketen”
= Quanten = Photonen. Die Energie wird in Einstein (1 Einstein = 1 Mol
Photonen) angegeben.
Blaulicht
besitzt ca. 300 KJ/Einstein,
Rotlicht
ca. 160 KJ/Einstein.

Licht hat Eigenschaften von Wellen und Teilchen. Die
Welleneigenschaften sieht man an der Brechung des Lichts im Wasser oder
an einem Prisma, die Teilcheneigenschaften am Photoeffekt.
Licht kann aus Metalloberflächen wie Zink oder Kalium usw. Elektronen
herauschlagen, die Metalle werden positiv aufgeladen, Strom fließt.

colors - Photosynthese: Licht- und CO2 - Abhängigkeit

Daß Licht auch mit anderen Stoffen in Wechselwirkung
tritt sieht man z. B. an einem blauen Pulli oder einem grünen Blatt.
Nehmen wir im einfachsten Fall an der Pulli enthält einen blauen
Farbstoff
(Pigment), das Blatt einen
grünen
Farbstoff
. Der Pulli erscheint blau, weil
er mit weißem Licht bestrahlt wird und im einfachsten Fall alle
Wellenlängen absorbiert außer blau. Diese wird reflektiert
und vom Auge wahrgenommen. Das Blatt erscheint aus dem gleichen Grund
grün, weil alle Wellenlängen außer grün absorbiert
werden. (siehe oben Chlorophyll)


Pigmente
sind also Stoffe, die Licht absorbieren.

Schwarze Farbstoffe
absorbieren alle sichtbaren Wellenlängen, weiße Pigmente reflektieren
alle Wellenlängen. Jedes Pigment hat seine eigenen Absorptionseigenschaften.

Der grüne Farbstoff in allen
grünen Pflanzen heißt
Chlorophyll
und absorbiert weißes Licht wie oben dargestellt. Man fand aber
bei der genauen Analyse verschiedener Pflanzen noch andere Blattfarbstoffe,
die unterschiedliche Absorptionseigenschaften haben. Diese sind unten
dargestellt:

pigment - Photosynthese: Licht- und CO2 - Abhängigkeit

Die Nichtchlorophyll-Blattfarbstoffe werden akzessorische
Pigmente
genannt.

Die photosynthetisch aktiven Pigmente
sind alle in den Chloroplasten enthalten. Zusätzlich findet man vor
allem Herbst in Blättern
rotes
bis
purpurfarbenes
Anthocyan.
Dieses hat jedoch
keine photosynthetische
Wirkung
, ist wasserlöslich und in der
Vakuole enthalten. Anthocyane sind auch für die Färbung vieler
Früchte und Blütenblätter verantwortlich.

_fall1 - Photosynthese: Licht- und CO2 - Abhängigkeit

Im Frühjahr und Sommer sind die Blätter der
meisten Pflanzen grün, nur im Herbst wechseln die Blätter die
Farben. Der grüne Blattfarbstoff Chlorophyll macht den Hauptteil
der Pigmente aus und überdeckt normalerweise die anderen Pigmente.
Im Herbst, wenn Chlorophyll durch die längere Dunkelzeit abgebaut
wird, kann man die anderen Farbstoffe sehen.

leaf4 - Photosynthese: Licht- und CO2 - AbhängigkeitFrühling,
Sommer


Chlorophyll
leaf3 - Photosynthese: Licht- und CO2 - Abhängigkeit

Herbst


Anthocyan
leaf6 - Photosynthese: Licht- und CO2 - Abhängigkeit

Herbst


Carotine
leaf5 - Photosynthese: Licht- und CO2 - Abhängigkeit

Herbst


Xanthophylle

Blattfarben und die bestimmenden Pigmente

Alle Blattfarbstoffe sind höhermolekulare organische
Stoffe. Die chemische Struktur kann man nachfolgender Zusammenstellung
entnehmen.

CHLOROPHYLLE

chl1 - Photosynthese: Licht- und CO2 - Abhängigkeit

Chlorophyll besteht aus einem Poryphyrinringsystem
mit Mg2+ als Zentralion. Die Struktur ist grundsätzlich
mit dem Hämoglobin, dem roten Blutfarbstoff verwandt. Man beachte
das System alternierender Doppelbindungen, das durch die vier N-haltigen
5er-Ringe (Pyrrol) gebildet wird. Chl a
und b unterscheiden sich nur durch
einen Substituenten (R).

Die Lichtabsorption erfolgt im blauen (Chla
a = 440 nm)
und roten (Chl
a
= 662nm) Spektralbereich des sichtbaren Lichts.

CAROTINOIDE

Carotine sind Tetraterpene
(8 Isopreneinheiten; C40). Wiederum sind die alternierenden
Doppelbindungen auffällig. Das wichtigste Carotin ist das b-Carotin
in Kormophyten und Algen.

carotin1 - Photosynthese: Licht- und CO2 - Abhängigkeit

Die Lichtabsorption erfolgt im blauen bis grünen
Spektralbereich des sichtbaren Lichts. ( b-Carotin
zwischen 415 und 500 nm)

XANTHOPHYLLE

Xanthophylle
sind die Oxidationsprodukte der Carotine und enthalten
O.
Die wichtigsten Xanthophylle in Kormophyten und Algen sind links abgebildet.

_zeaxan0 - Photosynthese: Licht- und CO2 - Abhängigkeit

Phycobilline

Phycocyanin
(
Abb. 22)
und Phycoerythrin sind an Protein gebundene
blaue und rote Pigmente der Rotalgen.

pcyanin1 - Photosynthese: Licht- und CO2 - Abhängigkeit

Lichtabsorption:
 Phycoerythrin im grünen Bereich;
Phycocyanin im roten Bereich.

Nachdem wir uns nun die einzelnen Blattpigmente und deren
Absorptionseigen-schaften genauer betrachtet haben, wollen wir einmal
diese und das Aktions-spektrum miteinander vergleichen.

VERGLE1 - Photosynthese: Licht- und CO2 - Abhängigkeit

Die Kurven sind fast identisch.
Daraus können wir den Schluß ziehen,
daß
die Chlorophylle und Carotinoide am photosynthetischen Prozess beteiligt
sind

Wir wollen nun einen Blattextrakt
herstellen, analysieren und uns die Wechselwirkung der Pigmente mit dem
Licht auf molekularer Ebene genauer ansehen.

 

 


Abb. 11
Licht-
und Schattenpflanze
 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb. 12
Licht-
und CO2-Abhängigkeit
der Photosynthese
 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb. 13
Temperaturabhängigkeit
der Photosynthese
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb. 14
Eigenschaften
von Licht als Welle
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb. 15
Absorption
eines Pigments
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb. 16
Absorption
der Blattfarbstoffe
 

 

Chlorophyll
a
alle
grünen Pflanzen
Chlorophyll b,
(c,d,e
in
Algen)
nur
in Kormophyten und Grünalgen
a,
b,
g
Carotin
siehe
oben
Xanthophylle siehe
oben
Phycoerythrin Rotalgen,
Blaualgen
Phycocyanin Rotalgen,
Blaualgen
Bacterio-
chlorophyll
photosynthetisch
aktive Bakterien

Die Carotine und Xanthophylle werden zu den Carotinoiden
zusammengefaßt.

 

 

 

 


Abb. 17
Blätter
mit Anthocyan
 


_fab_009 - Photosynthese: Licht- und CO2 - Abhängigkeit

Pelargonidin-3-Glucosid
eines von ca. 250 bekannten Anthocyanen.

 


Abb. 18
Herbstblätter
 
foliage - Photosynthese: Licht- und CO2 - Abhängigkeit
Die braune Farbe am Ende des Farbwechsels kommt
von abgebauten Stoffen.

 

 

 

 


Abb. 19
Chlorophyll
 
_chloro5 - Photosynthese: Licht- und CO2 - Abhängigkeit
Klicken Sie für 3D

 

 

 


Abb. 20 a
Carotinoide
b

Carotin
 

_carote1 - Photosynthese: Licht- und CO2 - Abhängigkeit
Klicken Sie für 3D

 

 


Abb. 20b
Xanthophylle
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb. 21
Phycocyanin
(links)
Alge mit Phycoerythrin
 

rotalge - Photosynthese: Licht- und CO2 - Abhängigkeit

 

 


Abb. 22
Absorption
– Aktion
 

 

 

 

Weiterführende Quellen:
Botanik:http://www.uni-hamburg.de/~biologie/b_online/d00/inhalt.htm
Rotalgen:http://www.ucmp.berkeley.edu/protista/rhodophyta.html
Blätter im Herbsthttp://www.state.me.us/doc/foliage/foliage.htm
Anthocyanehttp://pharm1.pharmazie.uni-greifswald.de/systematik/ergaenz/antcyane.htm
Alles über die Photosynthesehttp://photoscience.la.asu.edu/photosyn/default.html
Lichtreaktionhttp://esg-www.mit.edu:8001/esgbio/ps/light.html
Photosynthesehttp://www.emc.maricopa.edu/bio/bio181/BIOBK/BioBookPS.html
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